天氣變化對自密實混凝土灌注質(zhì)量及性能的影響

郭厚勇，張玉山，張春林

(中鐵十一局集團第三工程有限公司,湖北 十堰 442012)

對于高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道而言，自密實混凝土(Self-compacting Concrete，SCC)充填層質(zhì)量控制是其結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工控制的核心。而自密實混凝土質(zhì)量控制則是保證充填層質(zhì)量的重要基礎。與普通混凝土相比，自密實混凝土具有高流動性、抗離析和填充能力強等特點[1]。然而，在生產(chǎn)、運輸、灌注以及養(yǎng)護過程中，自密實混凝土比較敏感，容易受到原材料波動、自由水和極端天氣的影響[2]。大量研究表明，極端天氣是自密實混凝土工作性和耐久性主要的破壞因素。

文獻[2]分別模擬高溫和低溫天氣環(huán)境，總結(jié)了隨著溫度變化新拌自密實混凝土工作性能、流變性能及黏結(jié)性能的變化規(guī)律；文獻[3]研究了溫度變化對自密實混凝土早期凝結(jié)時間和收縮變形的影響；文獻[4]通過大量試驗數(shù)據(jù)對高溫如何影響自密實混凝土力學性能做了系統(tǒng)的研究。但目前大部分研究都集中在天氣條件變化對自密實混凝土本身流變性能、力學性能和耐久性能的影響，且基本都建立在實驗室研究的基礎上，局限性較大，而關(guān)于天氣變化影響自密實混凝土充填層灌注質(zhì)量的研究相對較少。

本文基于鄭阜客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土線外工藝性灌揭板試驗，分別研究了秋季晴天、秋季小雨和冬季低溫天氣對自密實混凝土工作性能、力學性能的影響，并在此基礎上對自密實混凝土充填層的表面質(zhì)量、斷面均勻度、密度、孔隙率、吸水率等參數(shù)進行了評價和驗證。同時，根據(jù)試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，對于雨天或低溫天氣下自密實混凝土灌注施工提出了相應的建議。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為河南省同力水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5 普通硅酸鹽低堿水泥；粉煤灰為河南省興安新型建筑材料有限公司生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰；礦粉為河南省新星礦粉有限公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉；膨脹劑為山西省運城市泓翔建材有限公司生產(chǎn)的HXUEA-Ⅱ型膨脹劑；黏度改性劑為安徽中鐵工程材料科技有限公司生產(chǎn)的ZTVM-1型黏度改性材料。

細骨料為河南信陽羅山產(chǎn)細度模數(shù)為2.6的天然河砂(中級)；粗骨料為河南禹州方山產(chǎn)2種連續(xù)級配碎石，最大粒徑分別為10，19 mm。

減水劑為運城市泓翔建材有限公司生產(chǎn)的HXSX-B聚羧酸系高性能減水劑(緩凝型)，減水率為27.2%；引氣劑為運城市泓翔建材有限公司生產(chǎn)的HXAE-A型引氣劑。

1.2 配合比

試驗設計了強度等級為C40的自密實混凝土理論配合比，見表1,水膠比0.33。拌合料施工配合比則是通過實測當日粗細骨料表面含水率并根據(jù)理論配合比換算而來。試驗所用原材料均符合TJ/GW 112—2013《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土暫行技術(shù)條件》[5]要求。

1.3 試驗方法

自密實混凝土攪拌工藝：首先向攪拌機中投入稱量好的骨料和粉料，攪拌均勻后，再加入外加劑和拌合水，并繼續(xù)攪拌至均勻。機械攪拌，總攪拌時間一般為180 s。

表1 自密實混凝土理論配合比 kg/m3

拌合物性能測試：混凝土出料后，攪拌車運輸至試驗澆筑現(xiàn)場，靜停并攪拌，總時間大約為40 min，取樣后測試拌合物擴展時間T500和坍落擴展度。

力學性能測試：拌合物性能測試完畢后，制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，土工布覆蓋，24 h后脫模養(yǎng)護至測試齡期，養(yǎng)護溫度20±2 ℃,相對濕度大于95%。

充填層的表觀密度、孔隙率及吸水性測試：自密實混凝土充填層經(jīng)灌注、拆模、揭板、養(yǎng)護，28 d后切割、取樣與加工，試驗方法參照ASTM C642-13《Standard Test Method for Density,Absorption,and Voids in Hardened Concrete 》[6]要求進行，計算得出樣品的吸水率、表觀密度和孔隙率，計算公式為

式中：A為樣品的吸水率，%；ρa為表觀密度，g/cm3；n為孔隙率，%；m0為樣品烘干后在空氣中的質(zhì)量，g；m1為樣品經(jīng)浸泡、煮沸后在空氣中的質(zhì)量，g；m2為樣品經(jīng)浸泡、煮沸后在水中的質(zhì)量，g；ρ0為水的密度，ρ0=1 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 自密實混凝土工作性能

自密實混凝土的工作性能通過擴展時間T500和坍落擴展度來測定，測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，3種天氣條件下自密實混凝土工作性能有所不同。在秋季晴天，環(huán)境溫度21±2 ℃下，SCC-1坍落擴展度為650 mm，T500為5.3 s；在秋季小雨天氣，環(huán)境溫度18±2 ℃下(試驗過程中突然下起了小雨)，SCC-2坍落擴展度為680 mm，T500為3.9 s，測試時明顯能觀察到少量的雨水滲入至混凝土中；當冬季環(huán)境溫度為6±1 ℃時，SCC-3坍落擴展度達到780 mm以上，T500為2.6 s，說明其工作性能不滿足設計要求。另外，從圖1(a)中可以看出，SCC-1中粗骨料分布均勻，且無離析、無泌水現(xiàn)象；冬季低溫下SCC-3中則出現(xiàn)了嚴重分層、泌水和離析現(xiàn)象，如圖1(b)所示。上述分析表明，天氣變化對自密實混凝土流動性和黏聚性具有不同程度的影響，特別是冬季低溫環(huán)境影響非常明顯，與文獻[7]得出的低溫使混凝土擴展度增大的結(jié)論一致。

表2 不同條件下自密實混凝土工作性能

圖1 自密實混凝土坍落擴展度測試

在冬季低溫條件下，造成自密實混凝土工作性能降低的主要原因可能是拌合物中減水劑反應不充分及水泥水化速率降低所致?；炷翑嚢钑r間的適當延長有利于自密實混凝土工作性能的提升[8]。因此，其他試驗條件不變,將混凝土攪拌時間從180 s延長至240 s，從表2中可以看出，與SCC-3相比，SCC-4的坍落擴展度降至650 mm，T500增大為5.0 s，其工作性能得到了明顯的改善。

2.2 自密實混凝土抗壓強度

對3種自密實混凝土立方體試件進行7 d和28 d抗壓強度試驗，其結(jié)果見表3?？梢钥闯?，3種自密實混凝土的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大。與SCC-1抗壓強度相比，小雨和低溫天氣下生產(chǎn)的SCC-2和SCC-4的不同齡期的抗壓強度均下降。導致強度下降的原因包括：在雨天，雨水的滲入使混凝土中水泥漿流失，引起孔洞或者出現(xiàn)麻面；在低溫條件下，水化速率減緩、凝結(jié)時間延長均會影響混凝土強度發(fā)展；同樣，延長攪拌時間也會使拌合物氣泡增多。試驗表明，晴天生產(chǎn)的自密實混凝土力學性能更優(yōu)，而小雨和低溫天氣則會引起混凝土工作性能和力學性能降低。

表3 不同條件下自密實混凝土抗壓強度

2.3 自密實混凝土充填層灌注質(zhì)量分析

圖2為不同天氣條件下灌注自密實混凝土充填層揭板后的照片。

圖2 不同條件下灌注的自密實混凝土充填層表面及斷面

由圖2(a)可見，晴天施工灌注的充填層表面平整，浮漿層薄，無漏石及漏筋現(xiàn)象，且氣泡較少(無大于50 cm2的氣泡，大于6 cm2的氣泡面積之和不超過板總面積的2%)。將板切開后觀察，骨料均勻分布，且與水泥石相互交錯，無明顯氣孔，如圖2(d)所示，說明晴天灌注的自密實混凝土充填層效果較好。

小雨天氣下灌注的充填層表面相對粗糙，有輕微的浮漿和氣泡層，且粗大氣泡較多，如圖2(b)所示。這是因為：雨天灌注混凝土，雨水的流入使水泥漿流失，引起孔洞或留下麻面；雨水的滯留同樣會降低拌合物工作性能，導致自密實混凝土灌注成型過程中排氣困難。對充填層進行切割，觀察其橫斷面，發(fā)現(xiàn)骨料分布的均勻性稍差，且有輕微的分層現(xiàn)象，如圖2(e)所示。這表明雨天對自密實混凝土充填層的灌注質(zhì)量影響明顯。

冬季低溫環(huán)境下，當攪拌180 s時，自密實混凝土出現(xiàn)離析，工作性能不滿足要求，容易阻塞灌注口，禁止灌注；當攪拌時間延長至240 s時，混凝土的流動性和黏聚性有較大改善，滿足自密實混凝土工作性能要求，可以進行灌注。圖2(c)為低溫條件下灌注的自密實混凝土(SCC-4)揭板后照片，從圖中可以看出充填層表面相對平整，無浮漿和分層現(xiàn)象，無較大氣泡，只是板的四周邊緣小氣泡較多。將板切開觀察其斷面，發(fā)現(xiàn)雖無分層現(xiàn)象，但均勻度不是特別令人滿意，如圖2(f) 所示。

通過對上述結(jié)果分析可知，雨天和低溫天氣均會不同程度地影響自密實混凝土充填層的灌注質(zhì)量。其中，雨天導致充填層表面大氣泡增多，斷面均勻度稍差，呈現(xiàn)浮漿分層現(xiàn)象，影響較大；在低溫環(huán)境下，雖然通過延長攪拌時間能使自密實混凝土工作性能滿足灌注要求，但這仍不足以抵消低溫環(huán)境造成充填層表面質(zhì)量及斷面均勻度降低的不利影響。

2.4 自密實混凝土充填層密度、孔隙率及吸水性

表4顯示了不同天氣條件下灌注28 d后自密實混凝土充填層的性能。

表4 不同條件下灌注28 d后自密實混凝土充填層性能

由表4可知，隨著天氣條件的變化，SCC-1，SCC-2，SCC-4這3種自密實混凝土灌注的充填層表觀密度變化較小，無明顯規(guī)律。相關(guān)研究表明，自密實混凝土的表觀密度與多種因素有關(guān)，如骨料的密度與含量、水泥含量、火山灰含量、空氣含量等[9]。

由表4可知,，與SCC-1相比，小雨和低溫天氣條件下灌注的SCC-2，SCC-4充填層孔隙率顯著增加，分別提高了43%和42%。對于小雨天氣而言，充填層孔隙率增大的原因是雨水的滲入與滯留導致其孔洞增多；而對于低溫天氣，主要原因是低溫減緩了粉煤灰火山灰效應和水泥水化反應，其次還與混凝土攪拌時間的延長有關(guān)。

由表4可知，與SCC-1相比，雨天和低溫條件下灌注的SCC-2，SCC-4的充填層吸水率分別提高了36%和34%。自密實混凝土充填層的吸水率與其孔隙率的變化規(guī)律相類似，孔隙率越大，吸水率越大，說明自密實混凝土吸水率的大小與其孔隙率的大小有關(guān)，這與文獻[9]的結(jié)果相一致。

以上試驗結(jié)果表明，天氣變化對自密實混凝土充填層的表觀密度、孔隙率和吸水率會造成不同程度的影響，其中對表觀密度影響不明顯，而對孔隙率和吸水率影響較為明顯。吸水率和孔隙率影響混凝土的強度、耐久性、抗凍性與導熱性等，因此，吸水率和孔隙率試驗進一步證明了雨天和低溫環(huán)境會降低自密實混凝土充填層的顆粒間黏結(jié)力與密實性，使結(jié)構(gòu)減弱，從而使強度、耐久性降低。

3 雨天和低溫天氣灌注自密實混凝土的建議

為避免雨天和低溫天氣造成自密實混凝土灌注質(zhì)量降低的問題，根據(jù)試驗中所發(fā)現(xiàn)的問題，提出如下建議：①在雨天環(huán)境下不宜進行自密實混凝土灌注，即使少量的雨水都能夠?qū)е禄炷帘砻娉霈F(xiàn)變色和水紋現(xiàn)象，如遇特殊情況，應及時做好防雨措施以防止雨水進入到混凝土和板腔中(如及時覆蓋已封邊的軌道板、料斗、溜槽、灌注孔、觀察孔等)；②在低溫天氣下灌注自密實混凝土應充分做好防范及改進措施，如對原材料及拌合水采取溫控措施，配合比設計時采用適宜于低溫環(huán)境的高效減水劑，改進混凝土生產(chǎn)工藝，自密實混凝土灌注后采取覆蓋保溫養(yǎng)護等。

4 結(jié)論

1)天氣變化對自密實混凝土的工作性能影響顯著，在小雨和低溫天氣下其流變性和黏聚性均會降低。尤其低溫環(huán)境容易使自密實混凝土產(chǎn)生骨料下沉、泌水、離析等現(xiàn)象。

2)小雨和低溫天氣對自密實混凝土的強度影響較大，在工作性能滿足要求的條件下，與晴天相比，混凝土7 d和28 d抗壓強度均會降低，其中雨天環(huán)境使強度降低程度更大。

3)小雨和低溫環(huán)境下灌注自密實混凝土均會導致充填層外觀質(zhì)量和斷面均勻度降低，主要表現(xiàn)為充填層表面氣泡增多或增大，骨料分布不均勻以及浮漿分層現(xiàn)象。

4)自密實混凝土充填層的孔隙率和吸水率容易受到小雨和低溫天氣的影響，孔隙率和吸水率均較高，說明其密實性較差。